表面波等离子体天线的系统设计

陈文波

南华大学电气工程学院，湖南 衡阳 421001

0 引言

等离子体天线是一种利用等离子体元素取代金属导体的新型天线。这种天线通常由充满惰性气体的绝缘管组成，其底部通过一个耦合铜环套与射频信号发生器相连。当天线工作时，RF信号源产生的高频功率将管内的气体电离形成高密度等离子体，因此有接收和发射电磁波信号的能力；而当天线断电时，又成为绝缘体，几乎不反射电磁波。

等离子体天线的这些特性使它具有传统天线所无法比拟的优势：它是通过电控制而非机械控制，因此能够实现辐射方向图的快速动态重构；仅在工作时才表现出导电性，这使得其被敌方雷达检测到的机率大大降低；天线的有效长度可以通过改变所加的RF信号功率来进行控制。

本文首先对表面波驱动等离子体的原理进行了说明，然后在MOSIAN等人的工作基础上，提出了一种能同时对激励信号及发射信号进行控制的新型等离子体天线实验系统。

1 实验系统的建立

图1 等离子体天线实验系统

将等离子体柱用作天线必须要有两个信号耦合进等离子体柱：用于产生并维持等离子体柱的激励信号及作为天线所发射的包含信息的信号。因此等离子体天线主要由充气的绝缘管、维持等离子体的部件以及信号激励耦合部件这3部分构成。

图1为所建立的实验系统。上方电路的信号发生器提供433MHz的激励信号，并通过功率放大器放大到能电离气体的功率电平（该电路中还应插入一个功率表以监视输入功率）。天线通过一个三联短截线匹配到该网络。输入端口处套一个金属环，以便将激励功率耦合到天线中去。227MHz的信号也用同样的金属环耦合到天线上。该信号在到达天线前通过10W的放大器进行放大。利用一个定向耦合器测量反射功率。该路馈送网络同样通过三联短线与天线匹配。由于电离气体所需的功率很高，因此还应在电路中加入一个切口滤波器以阻止该高功率通过两端口（馈送端和电离端）的耦合进入信号发生器。

天线效率是与等离子体天线性能相关的重要参数。由于天线辐射场的值是激励等离子体馈入功率的函数，因此上述建立的实验平台同样可以用来测量天线效率。电路中的三联短截线可用于调整不同入射激励功率的电平。以使得每个馈入到等离子体柱中的功率值都为1mW。后监视场强并提高激励功率，连续调整三联短线并读取场值。然后移开该等离子体柱用相同长度的铜管代替，关闭激励放大器。匹配信号线传送1mW的功率到铜管，将达到的场值作为计算效率的参考。另外在进行此类测量时还应在电路中加入滤波器——测量点的433MHz激励信号很强，有可能会对示波器所测得的227MHz信号产生影响。

作为辐射元的等离子体柱的效率还与等离子体电导率直接相关。电导率是激励功率的函数，它会对天线损耗产生影响——在离激励源很远的地方，等离子体的密度很低，电导率会急剧下降。因此，等离子体柱的电导率对于等离子体天线的有效长度而言也非常重要。

图2 电 测量系统

本实验系统也可以对等离子体柱的电导率特性进行测量：如图2所示，将等离子体柱通过两孔插入到波导中，波导可以上下移动以得到不同位置处输入值与波导内等离子体柱介电常数（分别为σ和εr）之间的关系。通过测量波导输入端（在对端安装一匹配负载终端器）的反射系数并应用互易定理，就可以计算出等离子体柱的电导率。

2 结论

本文提出了一种能同时对激励信号及发射信号进行控制的新型等离子体天线实验系统。该系统能够方便的测量等离子体天线的辐射方向图、天线效率及等离子体电导率等重要参数，并可与金属天线的测量结果进行对比。这为今后实现等离子体天线的应用打下了基础。

[1]J.P.Rayner, A.P.Whichello, A D.Cheetham,“Physical Characteristics of Plasma Antennas”, IEEE Trans.On Plasma Science，2004，32(1)：269-281.

[2]EN 55011“Limits and methods of measurement of radio disturbance characteristics of industrial,scientific and medical(ISM)radio frequency equipment.

[3]R.R.Collin“Foundations for microwave engineering”McGraw-Hill Ed，1992.